固态非晶化策略缓解硅基负极材料体积膨胀难题

针对硅基负极材料在锂离子电池（LIBs）中因各向异性体积膨胀（300–400%）导致的电极粉化、SEI膜失控生长等问题，研究人员通过固态非晶化技术制备了各向同性多孔非晶硅（aSi），并与石墨复合形成aSi/石墨复合材料（aSG60）。该材料在1 A g?1电流密度下实现1219.0 mAh g?1的高容量，50次循环后体积膨胀率仅38%，显著优于微米硅/石墨复合材料（uSG60）的85%。该研究为高稳定性硅基负极设计提供了新思路。

　　

硅材料因其4200 mAh g^?1的超高理论容量，被视为下一代锂离子电池（LIBs）负极的明星材料。然而，其充放电过程中300–400%的剧烈体积膨胀犹如一把双刃剑——不仅导致电极结构粉化，还会引发固态电解质界面膜（SEI）的反复破裂与再生，最终造成容量急剧衰减。更棘手的是，晶体硅（cSi）在嵌锂过程中表现出的各向异性膨胀行为，使得应力分布极不均匀，进一步加速了材料失效。尽管纳米硅能部分缓解这些问题，但其低振实密度和高成本成为产业化瓶颈。

北京化工大学的研究团队另辟蹊径，提出通过固态非晶化技术将晶体硅转化为各向同性多孔非晶硅（aSi），并与商业化石墨复合，成功开发出aSi/石墨复合材料（aSG60）。该研究发表在《Journal of Colloid and Interface Science》上，揭示了非晶结构在调控硅基负极体积变化中的独特优势。

研究团队采用合金化学浸渍法合成多孔aSi，通过球磨工艺实现其与石墨的均匀复合。关键技术创新在于：利用硅锂合金（Li_xSi）中间体制备aSi，避免高温处理导致的晶化；通过石墨的机械缓冲作用协同抑制体积效应；系统比较了aSi与晶体硅（uSi）复合材料的电化学行为差异。

Fabrication and characterization
通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）证实，aSi完全失去晶体硅的尖锐衍射峰和晶格条纹，呈现典型的非晶弥散环。比表面积测试显示其多孔结构（孔隙率约65%），为电解液渗透和体积变化预留空间。

Electrochemical performance
aSG60在0.5 A g^?1下展现1540.1 mAh g^?1的可逆容量，200次循环后容量保持率达70%。原位膨胀测试显示，其50次循环后厚度增长仅38%，远低于uSG60的85%。非原位SEM证实aSi颗粒保持结构完整性，而uSi出现明显裂纹。

Mechanism analysis
同步辐射X射线断层扫描揭示，aSi的等静压膨胀行为有效分散了应力，避免局部应力集中。电化学阻抗谱（EIS）显示aSG60的电荷转移电阻（R_ct）始终低于uSG60，证实非晶结构促进Li⁺扩散动力学。

Conclusion
该研究证实非晶化策略能从根本上解决硅基负极的体积膨胀难题：aSi的等静压特性消除各向异性应力，多孔结构提供膨胀缓冲空间，而石墨基体则增强导电网络。这种"结构均质化-空间预留-导电增强"的三重协同机制，为高能量密度LIBs负极设计提供了普适性思路。值得注意的是，aSi较高的嵌锂电位（~0.22 V vs. Li/Li⁺）还能抑制锂枝晶生长，提升电池安全性。未来通过优化孔隙结构和表面化学，有望进一步推动硅基负极的商业化进程。